PMOS-логика
Логика PMOS или pMOS (от p-channel металл-оксид-полупроводник ) представляет собой семейство цифровых схем на основе p-канальных полевых с режимом улучшения транзисторов металл-оксид-полупроводник (MOSFET). В конце 1960-х и начале 1970-х годов логика PMOS была доминирующей полупроводниковой технологией для крупномасштабных интегральных схем, прежде чем ее вытеснили устройства NMOS и CMOS .
История и применение [ править ]
Мохамед Аталла и Давон Кан изготовили первый работающий МОП-транзистор в Bell Labs в 1959 году. [1] Они изготовили устройства как PMOS, так и NMOS, но работали только устройства PMOS. [2] Пройдет более десяти лет, прежде чем загрязняющие вещества в производственном процессе (особенно натрий) смогут контролироваться достаточно хорошо для производства практических NMOS-устройств.
По сравнению с биполярным транзистором , единственным устройством, доступным в то время для использования в интегральных схемах , МОП-транзистор предлагает ряд преимуществ:
- Учитывая процессы изготовления полупроводниковых устройств аналогичной точности, МОП-транзистор требует всего 10% площади биполярного транзистора. [3] : 87 Основная причина заключается в том, что МОП-транзистор является самоизолирующим и не требует изоляции p–n-перехода от соседних компонентов кристалла.
- МОП-транзистор требует меньше технологических операций и, следовательно, его проще и дешевле производить (один этап диффузионного легирования). [3] : 87 по сравнению с четырьмя для биполярного процесса [3] : 50 ).
- Поскольку для MOSFET нет статического тока затвора, потребляемая мощность интегральной схемы на основе MOSFET может быть ниже.
Недостатками по сравнению с биполярными интегральными схемами были:
- Скорость переключения была значительно ниже из-за больших емкостей затвора .
- Высокое пороговое напряжение ранних МОП-транзисторов приводило к более высокому минимальному напряжению питания (от -24 В до -28 В). [4] ).
В 1964 году компания General Microelectronics представила первую коммерческую схему PMOS — 20-битный сдвиговый регистр со 120 МОП-транзисторами — по тем временам невероятный уровень интеграции. [5] Попытка компании General Microelectronics в 1965 году разработать набор из 23 специальных интегральных схем для электронного калькулятора для Victor Comptometer. [5] оказалась слишком амбициозной, учитывая надежность схем PMOS в то время, и в конечном итоге привела к упадку General Microelectronics. [6] Другие компании продолжали производить схемы PMOS, такие как большие сдвиговые регистры ( General Instrument ). [7] или аналоговый мультиплексор 3705 ( Fairchild Semiconductor ) [8] которые были невозможны в биполярных технологиях того времени.
Значительное улучшение произошло с внедрением из поликремния в 1968 году технологии самовыравнивающихся затворов . [9] Том Кляйн и Федерико Фаггин из Fairchild Semiconductor усовершенствовали процесс самовыравнивающегося затвора, чтобы сделать его коммерчески жизнеспособным, в результате чего был выпущен аналоговый мультиплексор 3708 как первая интегральная схема с кремниевым затвором. [9] Процесс самовыравнивания затвора позволил добиться более жестких производственных допусков и, таким образом, уменьшить размеры МОП-транзисторов и уменьшить постоянную емкость затвора. Например, для памяти PMOS эта технология обеспечивает в три-пять раз большую скорость при половине площади чипа. [9] Поликремниевый материал затвора не только сделал возможным самовыравнивающийся затвор, но также привел к снижению порогового напряжения и, следовательно, к более низкому минимальному напряжению источника питания (например, -16 В). [10] : 1–13 ), снижая энергопотребление. Из-за более низкого напряжения источника питания логику PMOS с кремниевым затвором часто называют низковольтной PMOS, в отличие от более старой PMOS с металлическим затвором, называемой высоковольтной PMOS . [3] : 89
По разным причинам Fairchild Semiconductor не приступила к разработке интегральных схем PMOS так интенсивно, как хотелось заинтересованным менеджерам. [11] : 1302 Двое из них, Гордон Мур и Роберт Нойс , решили в 1968 году вместо этого основать собственный стартап — Intel . Вскоре к ним присоединились другие инженеры Fairchild, в том числе Федерико Фаггин и Лес Вадас . В 1969 году компания Intel представила свою первую статическую оперативную память PMOS емкостью 256 бит — Intel 1101. [11] : 1303 1024-битная динамическая оперативная память Intel 1103 появилась в 1970 году. [12] Модель 1103 имела коммерческий успех и быстро начала заменять память на магнитных сердечниках в компьютерах. [12] Intel представила свой первый микропроцессор PMOS , Intel 4004 , в 1971 году. Ряд компаний последовали примеру Intel. Большинство ранних микропроцессоров производились по технологии PMOS: 4040 и 8008 от Intel; IMP-16 , PACE и SC/MP от National Semiconductor ; TMS1000 от Texas Instruments ; ППС-4 [13] и ППС-8 [14] от Роквелл Интернэшнл . В этом списке микропроцессоров есть несколько коммерческих новинок: первый 4-битный микропроцессор (4004), первый 8-битный микропроцессор (8008), первый однокристальный 16-битный микропроцессор (PACE) и первый однокристальный микропроцессор. 4-битный микроконтроллер (TMS1000; ОЗУ и ПЗУ на одном чипе с ЦП ).
К 1972 году технология NMOS наконец была развита до такой степени, что ее можно было использовать в коммерческих продуктах. Оба Intel (с 2102) [15] и IBM [12] представила чипы памяти емкостью 1 кбит. Поскольку подвижность электронов в канале n-типа NMOS MOSFET примерно в три раза превышает подвижность дырок в канале p-типа PMOS MOSFET, логика NMOS позволяет увеличить скорость переключения. По этой причине логика NMOS быстро начала заменять логику PMOS. К концу 1970-х годов микропроцессоры NMOS обогнали процессоры PMOS. [16] Логика PMOS некоторое время оставалась в использовании из-за ее низкой стоимости и относительно высокого уровня интеграции для таких приложений, как простые калькуляторы и часы. Технология CMOS обещала значительно более низкое энергопотребление, чем PMOS или NMOS. Хотя схема КМОП была предложена еще в 1963 году Фрэнком Ванлассом. [17] а коммерческие интегральные схемы КМОП серии 4000 были запущены в производство в 1968 году, КМОП оставались сложными в производстве и не обеспечивали ни уровня интеграции PMOS или NMOS, ни скорости NMOS. Только в 1980-х годах КМОП заменила НМОП в качестве основной технологии микропроцессоров.
Описание [ править ]
Схемы PMOS имеют ряд недостатков по сравнению с альтернативами NMOS и CMOS , включая необходимость использования нескольких разных напряжений питания (как положительных, так и отрицательных), высокую рассеиваемую мощность в проводящем состоянии и относительно большие характеристики. Кроме того, общая скорость переключения ниже.
PMOS использует p-канальные (+) полевые транзисторы металл-оксид-полупроводник (MOSFET) для реализации логических вентилей и других цифровых схем . PMOS-транзисторы работают за счет создания инверсионного слоя в корпусе транзистора n-типа . Этот инверсионный слой, называемый p-каналом, может проводить дыры между p-типа «истоковыми» и «стоковыми» терминалами .
P-канал создается путем подачи отрицательного напряжения (обычно -25 В). [18] ) до третьего терминала, называемого воротами. Как и другие МОП-транзисторы, PMOS-транзисторы имеют четыре режима работы: отсечной (или подпороговый), триодный, насыщения (иногда называемого активным) и насыщения по скорости.
Хотя логику PMOS легко спроектировать и изготовить (MOSFET можно заставить работать как резистор, поэтому вся схема может быть выполнена с использованием PMOS FET), она также имеет ряд недостатков. Худшая проблема заключается в том, что через логический вентиль PMOS проходит постоянный ток (DC), когда так называемая «подтягивающая сеть» (PUN) активна, то есть всякий раз, когда выходной сигнал высокий, что приводит к статическому рассеянию мощности. даже когда схема простаивает.
Кроме того, схемы PMOS медленно переключаются с высокого уровня на низкий. При переходе от низкого уровня к высокому транзисторы обеспечивают низкое сопротивление, и емкостной заряд на выходе накапливается очень быстро (аналогично зарядке конденсатора через очень малое сопротивление). Но сопротивление между выходом и отрицательной шиной питания намного больше, поэтому переход от высокого к низкому занимает больше времени (аналогично разрядке конденсатора через высокое сопротивление). Использование резистора меньшего номинала ускорит процесс, но также увеличит рассеивание статической мощности.
Кроме того, асимметричные входные логические уровни делают схемы PMOS чувствительными к шуму. [19]
Большинству интегральных схем PMOS требуется источник питания напряжением 17–24 В постоянного тока. [20] поликремнием , Однако микропроцессор Intel 4004 PMOS использует логику PMOS с а не с металлическими затворами, что обеспечивает меньший перепад напряжения. Для совместимости с сигналами TTL в 4004 используется положительное напряжение питания V SS =+5 В и отрицательное напряжение питания V DD = -10 В. [21]
Ворота [ править ]
МОП-транзисторы p-типа расположены в так называемой «подтягивающей цепи» (PUN) между выходом логического затвора и положительным напряжением питания, а между выходом логического затвора и отрицательным напряжением питания устанавливается резистор. Схема спроектирована таким образом, что если желаемый выходной сигнал высокий, то PUN будет активен, создавая путь тока между положительным источником питания и выходом.
Затворы PMOS имеют то же расположение, что и затворы NMOS, если все напряжения поменяны местами. [22] Таким образом, для логики с активным высоким уровнем законы Де Моргана показывают, что вентиль PMOS NOR имеет ту же структуру, что и вентиль NMOS NAND, и наоборот.
 |  |  |
Ссылки [ править ]
- ^ «1960: Демонстрация металлооксидно-полупроводникового (МОП) транзистора» . Музей истории компьютеров .
- ^ Лоек, Бо (2007). История полупроводниковой техники . Springer Science & Business Media . стр. 321–323 . ISBN 9783540342588 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д Манфред Зайфарт (1982). схемы (на немецком языке Цифровые схемы и интегральные ). Берлин: ВЭБ Верлаг Техник. OCLC 923116729 .
- ^ Могистерс: новое поколение монолитных МОП-регистров сдвига . General Instrument Corp., 1965 год.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б «1964: Представлена первая коммерческая МОП-ИС» . Музей истории компьютеров . Проверено 7 декабря 2020 г.
- ^ «13 секстиллионов и счет: долгий и извилистый путь к самому часто изготавливаемому человеческому артефакту в истории» . Музей истории компьютеров. 2018-04-02 . Проверено 8 декабря 2020 г.
- ^ Интегральная схема МОП общего назначения . Отделение общей приборостроительной микроэлектроники. Сентябрь 1966 года.
- ^ Эм Джей Роблес (9 апреля 1968 г.). Новый мультиплексный МОП-переключатель совместим с биполярным режимом . Фэйрчайлд Полупроводник.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с «1968: Разработана технология кремниевых затворов для микросхем» . Музей истории компьютеров . Проверено 11 декабря 2020 г.
- ^ Руководство Intel по проектированию памяти (PDF) . Интел. Август 1973 года . Проверено 18 декабря 2020 г.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Сах, Чи-Тан (октябрь 1988 г.). «Эволюция МОП-транзистора - от концепции до СБИС» (PDF) . Труды IEEE . 76 (10): 1280–1326. дои : 10.1109/5.16328 . ISSN 0018-9219 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с «1970: динамическое ОЗУ MOS конкурирует с памятью с магнитным сердечником по цене» . Музей истории компьютеров . Проверено 17 декабря 2020 г.
- ^ «Роквелл ППС-4» . Страница коллекционера антикварных фишек . Проверено 21 декабря 2020 г.
- ^ Микрокомпьютер с системой параллельной обработки (PPS) . Роквелл Интернэшнл. Октябрь 1974 года . Проверено 21 декабря 2020 г.
- ^ «Хронологический список продуктов Intel. Продукты отсортированы по дате» (PDF) . Музей Интел . Корпорация Интел. Июль 2005 г. Архивировано из оригинала (PDF) 9 августа 2007 г. Проверено 31 июля 2007 г.
- ^ Кун, Келин (2018). «КМОП и не только КМОП: проблемы масштабирования». Высокомобильные материалы для КМОП-приложений . Издательство Вудхед . п. 1. ISBN 9780081020623 .
- ^ «1963: изобретена дополнительная конфигурация МОП-схемы» . Музей истории компьютеров . Проверено 02 января 2021 г.
- ^ Кен Ширрифф (декабрь 2020 г.). «Реверс-инжиниринг ранней микросхемы калькулятора с четырехфазной логикой» . Проверено 31 декабря 2020 г.
- ^ Хан, Ахмад Шахид (2014). Микроволновая техника: понятия и основы . ЦРК Пресс. п. 629. ИСБН 9781466591424 . Проверено 10 апреля 2016 г.
Кроме того, асимметричные входные логические уровни делают схемы PMOS чувствительными к шуму.
- ^ Фэйрчайлд (январь 1983 г.). «КМОП, идеальное семейство логических устройств» (PDF) . п. 6. Архивировано из оригинала (PDF) 9 января 2015 г. Проверено 3 июля 2015 г.
Большинство наиболее популярных деталей P-MOS имеют источники питания от 17 до 24 В, тогда как максимальное напряжение питания для CMOS составляет 15 В.
- ^ «Техническое описание Intel 4004» (PDF) (опубликовано 6 июля 2010 г.). 1987. с. 7. Архивировано из оригинала (PDF) 16 октября 2016 года . Проверено 6 июля 2011 г.
- ^ Справочник данных по микроэлектронным устройствам (PDF) (изд. NPC 275-1). НАСА/Исследовательская корпорация ARINC. Август 1966. стр. 2–51.
Дальнейшее чтение [ править ]
- Савард, Джон Дж. Г. (2018) [2005]. «Из чего сделаны компьютеры» . четырехблок . Архивировано из оригинала 2 июля 2018 г. Проверено 16 июля 2018 г.